配气机构整体系统仿真及优化

配气机构整体系统仿真及优化康黎云司庆九（重庆长安集团汽车工程研究院CAE所）摘要：通过AVLEXCITETimingDrive的仿真，对某机型的配气机构进行动力学计算以了解存在的问题和优化方向。拟定重新设计凸轮型线和调整弹簧参数的优化措施，并用EXCITETimingDrive进行对比计算，结果表明凸轮型线的设计和弹簧参数的更改达到了优化目的。关键词：配气机构；动力学；凸轮型线；气门弹簧主要软件：AVLEXCITETimingDrive；MSC/NASTRAN1.前言某发动机的配气机构采用四气门单顶置凸轮轴摇臂驱动，其中进、排气侧分别为两同形式的指形从动件摇臂。摇臂驱动形式的配气机构刚度一般比挺柱直接驱动的配气机构要弱，相应其动力性也要差些。现实的问题是：如何从优化配气机构的角度出发，在不提高发动机转速的情况下增加该发动机的功率，同时还必须使配气机构的动力性也满足设计要求，如不出现飞脱、反跳及弹簧并圈等问题。2.分析过程2.1总体流程为解决问题，制订以下分析流程，如图1所示：图1配气机构分析及优化流程图12.2优化前仿真分析机构的主要全局参数如表1所示：表1配气机构主要技术参数进气侧排气侧基圆半径15.5mm15.5mm气门正时466°(曲轴转角)258°(曲轴转角)气门包角(含缓冲段)170°175°气门倾角16°20°气门间隙0.15mm0.25mm弹簧预紧力114N工作段弹簧刚度29N/mm建立整个阀系的EXCITETimingDrive模型：①.从凸轮轴前端往后端看，凸轮的布置是排气门、两个进气门、排气门的形式；②.由于发动机的点火顺序是1-3-4-2，所以对应缸的阀系相位要依次滞后90°；③.忽略皮带传动对阀系的影响，而直接将转速加载到凸轮轴的最前段的SHPU单元上。整个模型如图2所示：图2阀系模型以下为发动机优化前6000rpm下的动力学计算结果(图3~图6所示)，从各曲线图可以看出，该配气机构在高转速下出现反跳、飞脱和并圈，因此，有必要对该套系统进行优化。优化的措施主要有以下几点：(1)重新设计进、排气凸轮型线，以避免飞脱和反跳的产生。对于摇臂驱动的凸轮型线，使2用分段加速度函数(ISAC)方式设计型线是最为理想的。(2)加强摇臂刚度，从而提高整个系统的刚度。(3)优化气门弹簧参数，增加工作段长度及调节弹簧刚度，以消除并圈。(4)调节气门正时，通过GT-Power或Boost等软件工具进行计算，以检验功率是否提高。图3排气门升程图4进气门升程图5进气侧弹簧力曲线3图6作用在凸轮上接触应力2.3具体优化实施(1)对于进、排气凸轮型线都重新设计，设计目的：在满足动力性要求的前提下，尽可能地增大丰满度，以提高充气效率。图7所示为进气凸轮的原始型线与新型线的对比，新型线与旧型线在局部升程最大差接近1.2mm，由于凸轮轴铸造件的余量有2mm，因此这种设计更改不存在增加重新开模的成本。图7进气凸轮新、旧型线对比(2)对摇臂结构的优化以提高其刚度。摇臂结构的更改至少要满足配气机构各零件的空间布置不会发生干涉，而且还要考虑到是否需要重新设计模具以及质量是否增加等等因素。图8是排气侧摇臂设计前后的示意图。更改后的摇臂质量增加，但刚度几乎没有多少提高，没有达到设计意愿，因此建议保持摇臂原有结构形式。图8排气侧摇臂更改前后示意图(3)气门弹簧参数的优化，包括弹簧预紧力、刚度、工作段长度、簧丝直径等参数都可以适当调节，以满足动力性要求。对消除弹簧并圈最有效的措施是增加弹簧的工作段长度，4但如果保持其他参数不变而增加工作段长度，那么气门锁夹及气门长度等也会受影响。因此，减小簧丝直径是一个值得考虑的办法。经过弹簧验证计算，将原来的直径3.1mm减小至3.0mm，弹簧中径也相应减小，其他参数基本不变，从而达到增加弹簧工作段长度的目的，可以消除并圈。(4)气门正时调节对功率的影响在本文中就不赘述了。2.3优化后仿真分析图9~图12为优化后的配气机构动力学计算结果：图9进气门升程图10排气门升程图11进气侧弹簧力曲线5图12作用在凸轮上的接触应力3.结语凸轮型线的重新设计成功地消除了飞脱和反跳的产生，弹簧参数的优化也解决了并圈的问题。从仿真角度来说，该机构的优化已经达到了初始目的，但还需要进行发动机性能验算，确保优化后发动机的性能没有下降，如有可能应结合试验来共同检验优化效果。参考文献[1]尚汉冀，内燃机配气凸轮机构-设计与计算，复旦大学出版社，1988[2]AVLEXCITETimingDrive用户培训手册6